Rotierende Vielfalt

Sensorik

Winkelcodierer – Absolutwertgeber sind vielseitige Mikrosysteme im Maschinen- und Anlagenbau. Integrierte Elektronik und verschiedene Messverfahren ermöglichen zahlreiche Anwendungsfelder.

15. Oktober 2009

Zu den vielseitigsten Mikrosystemen im Maschinenbau gehören die Winkelcodierer, auch Absolutwertgeber genannt: Sie erfassen und messen mechanische Positionen und Bewegungen und liefern entsprechende digitale Daten zur Steuerung. Im Unterschied zu Dreh-Impulsgebern sind ihre Messdaten absolut codiert und stehen auch nach einer Unterbrechung der Versorgungsspannung wieder zur Verfügung. Ihr Einsatzfeld reicht von Papiermaschinen, Baumaschinen und Großraumbaggern über Transport- und Hebeeinrichtungen bis zur Blattverstellung an Rotoren von Windkraftanlagen.

Im Maschinenbau dienen Winkelcodierer meist zum Messen von Winkeln mit einer Auflösung bis zu 13 Bit entsprechend 8.192 Schritten je Umdrehung. In der Ausführung als Multitour-Codierer eignen sie sich zudem zum Messen langer Wege und Längen durch Umsetzung der translatorischen Bewegung in eine Drehbewegung mithilfe von Zahnriemen, Seilzügen oder Spindeltrieben. Dabei lassen sich Messbereiche bis zu 32.768 Umdrehungen realisieren.

Winkelcodierer erfassen und melden jedoch nicht nur Drehbewegungen und Positionen, sondern können auch viele Funktionen erfüllen, die sonst einer Steuerung zugeordnet werden müssen. So liefern sie neben den Positionsdaten auch Geschwindigkeitswerte für Grob-Fein-Steuerungen, Grenzwertsignale, Plausibilitätsvergleiche und Richtungssignale. Schon seit Langem sind Winkelcodierer deshalb unter anderem mit Mikroprozessoren, Interpolatoren, D/A-Wandler oder FPGA-Bausteinen bestückt. Feldbus-Controller erlauben zudem eine direkte Integration der Codierer in Feldbussysteme sowie die schnelle Anpassung des Messbereiches an die mechanischen Verhältnisse vor Ort.

Bewährte Sensorik

Als bewährtes Messverfahren nutzen Winkelcodierer im industriellen Einsatz seit etwa 40 Jahren elektrooptische Sensorsysteme. Die robusten Geräte mit Wellenlagerungen oder Hohlwellen bieten eine durchschnittliche Lebensdauer zwischen 10 und 15 Jahren. Zu den neueren Entwicklungen gehören Winkelcodierer mit elektromagnetischen Sensorsystemen, bei denen ein mit dem Messobjekt verbundener Permanentmagnet ein ASIC mit integrierten Hall-Elementen berührungslos aktiviert. Je nach Variante befindet sich der Magnet wahlweise in der Nabe einer Welle, die ohne Reibung im Gehäuse des Codierers rotiert, oder in einer Welle, die in doppelten Kugellagern im vorderen Teil des Gehäuses geführt wird. In beiden Fällen befindet sich die Elektronik mit den Sensoren, der Signalaufbereitung und den Ausgangsschaltungen in einer geschlossenen, abgedichteten Kammer, die vollständig vergossen werden und für Arbeitstemperaturen von –60 bis +125 Grad Celsius ausgelegt werden kann. Neben den Positionsdaten können zusätzlich Geschwindigkeits- und Beschleunigungssignale, auch für sehr langsame Drehbewegungen, zur Verfügung gestellt werden.

Die Zweikammerbauweise ermöglicht zudem eine mechanische Anpassung an die Maschinenelemente für Fälle, in denen die Standardgehäuse und Befestigungen für den Anbau nicht geeignet sind. Um die Masse eines Codierers an einer freitragenden Welle zu reduzieren, hat zum Beispiel der Düsseldorfer Drehgeberspezialist TWK Elektronik den Durchmesser des Gehäuseteils mit den beiden Kugellagern von 50 auf 40 Millimeter verringert und das Gewicht um 20 Prozent gesenkt. Für einen anderen Einsatzfall wurde ein Winkelsensor in besonders flacher Bauart entwickelt, der Sinus-Cosinus-Signale mit ihren Inversionen liefert. Das System verarbeitet bis zu 12.000 Umdrehungen pro Minute und eignet sich damit als kostengünstige Alternative in hydraulischen und pneumatischen Antrieben anstelle von Resolvern.

Überall im Einsatz

Bei Verwendung von Edelstahlgehäusen, druckdichten Wellendichtungen und entsprechenden Kabeldurchführungen werden Winkelcodierer auch im Wasserbau eingesetzt. Hier dienen sie zum Beispiel zur automatischen Steuerung von Flussschleusen oder als Stellungsmelder an Stauklappen von Wasserkraftanlagen. Ein anderes Beispiel ist die Verwendung der Multitour-Version in einer Baumaschine zur Erweiterung eines Hafenbeckens vor der australischen Küste. Hier dienen die Winkelcodierer als Positionsmelder zur Fernsteuerung der Maschine in 30 Meter Meerestiefe.

Die Programmierung der Winkelcodierer direkt am Einsatzort ermöglicht der neu entwickelte Universal-Programmer PMU. Das Gerät erlaubt die Einstellung von Messbereich, Messrichtung, Auflösung, Schaltsignalen, Preset- und Referenzwerten über die USB-Schnittstelle mithilfe der zugehörigen PC-Software Pro-USB. Der Programmer ist ausgelegt für Winkelcodierer mit SSI-, I²C-, UART-, CANopen- und Strom- oder Spannungsschnittstellen. Einsatzbereiche finden sich zum Beispiel in der Hebe- und Fördertechnik und in anderen Produktionsanlagen mit häufig wechselnden Betriebsbedingungen und Abläufen.

Für den Einsatz in sicherheitsrelevanten Anwendungen lassen sich die Protokolle Profisafe und CANopen safety in die Schnittstelle implementieren. Bei den CANopen-safety-Codierern wird das System dazu redundant aufgebaut. Für das laufende Jahr plant TWK zudem die Integration der Industrial-Ethernet-Protokolle EtherCAT und Profinet in die Winkelcodierer.

Theo W. Kessler u. Ulf Stark, TWK /bt

Erschienen in Ausgabe: 07/2009